摩擦式提升機制動力矩閉環調節方案研究與設計

齊衛東 趙 強 張 浩

(1.棗莊礦業集團公司蔣莊煤礦，山東省滕州市，277519；2.棗莊礦業集團公司供電工程處，山東省薛城市，277000)

摩擦式提升機屬于典型的位能負荷性旋轉機械，一般選用事故安全型的盤式制動閘作為其制動執行機構。目前，國內一些煤礦主井提升機實現了自動化控制，但仍需要操作人員現場監控，副井提升機還沒有實現自動化提升。無論是實現自動化控制的提升機，還是人工操作的提升機，都會出現因機械狀態不完好、數據參數調整不當、局部部件失效的情況下提升機停車位置不準確、啟動過程中倒車等現象，甚至出現提升機重載下放事故。究其原因，主要是制動力矩閉環調節數據單純取自實際速度和給定速度的差值信號，同時采用時間延遲邏輯的開環控制模式，未能和電磁轉矩、提升負荷旋轉力矩、提升方向等參數形成一套完整的閉環控制系統。采用具有綜合閉環調節功能的制動力矩調節方案，是保障摩擦式提升機安全運行的關鍵技術。

1 摩擦式提升機制動系統控制方案現狀分析

在摩擦式提升機電氣控制系統中，可調閘是制動系統的關鍵組成部分。其基本經歷了兩個階段，一個階段是以磁放大器為控制核心的模擬量控制系統，另一個階段是以可編程控制器為控制核心的數字量控制系統。兩種控制模式在邏輯上相同，只是后者用數字化參量代替了早期的模擬化參量，計算機程序取代了繼電器系統邏輯關系，目前在控制方案上具有一致性。

1.1 提升機操作方式分析

摩擦式提升機在人工操作控制模式下，司機收到開車信號后，根據信號點數來判斷提升方向，然后向前或向后推出主令開關決定正反向提升。主令開關一般采用接點式開關或兩相光電編碼器，依靠接點式開關接點組合或兩相光電編碼器分區計數量控制加速等級。主令開關推出，提升機通電對鋼絲繩短暫緊繩后，然后推出可調閘開關。可調閘開關一般采用自整角機、滑線電阻或兩相光電編碼器，自整角機輸出電流、滑線電阻分壓電壓或兩相光電編碼器計數量決定了液壓站壓力，調整盤式制動閘蝶形彈簧壓縮狀態調節制動力矩。若司機操作配合不好，會出現提升機倒車、停車不穩、反轉或者重載下放事故，方向記憶保護容易被復位，失去方向記憶作用。同樣在自動化控制模式下，也會出現提升機倒車、停車不穩、反轉或者重載下放事故。

1.2 可調閘放大器控制方案分析

可調閘開關在全制動位置安裝零位檢測開關，一旦可調閘開關手柄推出零位，零位檢測開關立即閉合，可調閘放大器上電，同時可調閘放大器加載提升機速度給定和速度測量信號。可調閘開關手柄推出角度越大，可調閘放大器輸出信號幅值就越大，直至達到設定的最大值。當提升機速度測量信號大于速度給定信號時，可調閘輸出信號按比例減小，調節制動系統制動力矩。在提升機錯向保護下，可調閘放大器斷電，輸出信號回零。隨著可調閘開關手柄的拉回，可調閘放大器輸出信號按比例減小。可調閘放大器輸出信號可控制液壓站電液調壓裝置，調節液壓油壓力變化，平衡盤式制動閘蝶形彈簧壓縮狀態，可產生不同的制動力矩。

1.3 可調閘回路安全可靠性分析

提升機在啟動、運行、停車過程中，制動力矩調控與電磁正負轉矩依靠時間延遲匹配，處于開環狀態下運行，除錯向保護動作產生緊急停車狀態外，提升機在司機操作失誤、機械狀態不完好、數據參數調整不當、局部部件失效的情況下，會出現提升機停車位置不準確、啟動過程倒車，甚至出現重載下放事故。錯向保護也容易被司機復位，失去方向記憶作用，尤其在重載提升與提升機運行方向相反時，更易造成加速滑繩、重載下放事故，可靠性不高，有些煤礦主提升機發生過此類事故。

2 摩擦式提升機制動力矩閉環方案設計

對提升機制動力矩、電磁轉矩、負荷旋轉力矩、提升方向等參數進行綜合分析計算，實現制動力矩閉環調控，保障提升機制動力矩始終與運轉狀況相適應，是解決提升機運行、停車、啟動過程中倒車、停車不可靠、重載下放等事故的技術關鍵。

2.1 可調閘閉環調節方案硬件組成

可調閘閉環調節方案中，硬件主要有可調閘放大器、電磁轉矩檢測、提升信號檢測、提升速度檢測、提升負荷檢測、制動壓力檢測、提升方向檢測等裝置組成，硬件組成如圖1所示。

圖1 可調閘閉環調節方案硬件組成圖

電磁轉矩檢測由DSP數字信號處理器、電壓電流互感器、采樣保持電路等器件組成，主要作用是完成提升機電動機電磁轉矩的取樣計算；提升信號檢測由S7-300可編程控制器數字量輸入模塊組成，主要作用是采集提升信號點數，判斷提升方向；提升速度檢測由兩相光電編碼器、S7-300可編程控制器高速計數模塊組成，主要作用是換算提升機運行速度，同步換算提升行程；提升負荷檢測由壓力傳感器、多路開關、單片機、無線發射器、無線接收器、數據處理器等組成，主要作用是實時采集提升鋼絲繩繩端負荷，計算提升負荷旋轉力矩；制動壓力檢測由液壓傳感器完成，安裝在液壓站油管路出口處；提升方向檢測主要由S7-300可編程控制器數字量輸入模塊或相序鑒別器組成，通過讀取摩擦式提升機換向接觸器的合閘狀態或鑒別輸入電動機定子的電壓相序，判斷摩擦式提升機實際的送電方向，以開關量形式發送給可調閘放大器；可調閘放大器由S7-300可編程控制器、MP370觸摸屏等電氣元件組成。

2.2 可調閘閉環調節方案原理

可調閘放大器對提升信號、行程、速度、負荷旋轉力矩、方向和電磁轉矩綜合分析計算，在各種工況下實時對制動力矩調整，同時反饋調整電磁轉矩。提升重載啟動過程中，在電磁轉矩大于負荷旋轉力矩的條件下，按照給定曲線加速，同時慢速解除制動，否則施加制動力矩，避免提升重載啟動時倒車。下放重載啟動過程中，在電磁轉矩小于負荷旋轉力矩的條件下，按照給定曲線加速，同時慢速解除制動，否則施加制動力矩，避免下放重載啟動時過速。在提升重載、下放重載運行過程中，實時對比電磁轉矩(下放重載時為負電磁力矩，提升機向電網回饋電能或向電阻設備耗能)與負荷旋轉力矩差值，通過調節制動轉矩，控制提升機運行于給定速度下，保證提升機平穩可靠運行。在提升重載、下放重載停車過程中，實時調節盤式制動閘間隙，在盤式制動閘貼閘狀態下停車，實現提升重載停車時不倒車、給定速度下下放重載停車時不過位。

2.3 可調閘閉環調節流程圖

可調閘放大器送電后，首先進行初始化，調用主程序和分支程序，掃描各個數據單元賦值情況并進行運算，一旦有開車信號輸入，可調閘放大器立即調用提升負荷旋轉力矩數據單元，在提升負荷旋轉力矩數據單元提供有效數據的條件下，可調閘放大器向液壓站和提升機電控系統輸出啟動信號，同時判斷電磁轉矩與提升負荷旋轉力矩差值和判斷提升方向，如果啟動過程正常，可調閘放大器則進入運行過程、停車過程的閉環調節過程。無論啟動、運行過程，還是停車過程，一旦可調閘放大器計算出提升機工況不正常，則分別向提升機電控系統和液壓站發出失電和抱閘信號，實現提升機安全可靠制動停車。可調閘自動調節流程如圖2所示。

圖2 可調閘自動調節流程圖

3 結語

目前，國內煤礦副井摩擦式提升機還未實現自動化控制，主要制約因素在于制動力矩未能與負荷轉矩、電磁轉矩、提升方向等參數形成一套完整的閉環調節系統，實現自動化控制的主井提升機也僅靠各環節間時間延遲關系實現，可靠性不高。綜合摩擦式提升機運行工況，實時檢測位能負載轉矩和電磁轉矩，跟蹤位能負載轉矩和電磁轉矩差值運算結果，采用實現閉環控制的柔性制動系統，無論在自動化提升模式中，還是在人工操作的模式上，都是保障摩擦式提升機安全可靠運行的關鍵技術。